引言

隨著開關電源的發展，軟開關技術得到了廣泛的發展和應用，已研究出了不少高效率的電路拓撲，主要為諧振型的軟開關拓撲和PWM型的軟開關拓撲。近幾年來，隨著半導體器件制造技術的發展，開關管的導通電阻，寄生電容和反向恢復時間越來越小了，這為諧振變換器的發展提供了又一次機遇。對于諧振變換器來說，如果設計得當，能實現軟開關變換，從而使得開關電源具有較高的效率。LLC諧振變換器實際上來源于不對稱半橋電路，后者用調寬型(PWM)控制，而LLC諧振是調頻型（PFM）。

一、LLC諧振變換器原理

圖一、LLC諧振原理圖

圖二、LLC諧振波形圖

圖一和圖二分別給出了LLC諧振變換器的電路圖和工作波形。圖一中包括兩個功率MOSFET（S1和S2），其占空比都為0.5；諧振電容Cs，副邊匝數相等的中心抽頭變壓器Tr，Tr的漏感Ls，激磁電感Lm，Lm在某個時間段也是一個諧振電感，因此，在LLC諧振變換器中的諧振元件主要由以上3個諧振元件構成，即諧振電容Cs，電感Ls和激磁電感Lm；半橋全波整流二極管D1和D2，輸出電容Cf。LLC變換器的穩態工作原理如下：

1）〔t1，t2〕當t=t1時，S2關斷，諧振電流給S1的寄生電容放電，一直到S1上的電壓為零，然后S1的體內二級管導通。此階段D1導通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。

2）〔t2，t3〕當t=t2時，S1在零電壓的條件下導通，變壓器原邊承受正向電壓；D1繼續導通，S2及D2截止。此時Cs和Ls參與諧振，而Lm不參與諧振。

3）〔t3，t4〕當t=t3時，S1仍然導通，而D1與D2處于關斷狀態，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm>>Ls,因此，在這個階段可以認為激磁電流和諧振電流都保持不變。

4）〔t4，t5〕當t=t4時，S1關斷，諧振電流給S2的寄生電容放電，一直到S2上的電壓為零，然后S2的體內二級管導通。此階段D2導通，Lm上的電壓被輸出電壓鉗位，因此，只有Ls和Cs參與諧振。

5）〔t5，t6〕當t=t5時，S2在零電壓的條件下導通，Tr原邊承受反向電壓；D2繼續導通，而S1和D1截止。（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union）此時僅Cs和Ls參與諧振，Lm上的電壓被輸出電壓箝位，而不參與諧振。

6）〔t6，t7〕當t=t6時，S2仍然導通，而D1和D2處于關斷狀態，Tr副邊與電路脫開，此時Lm，Ls和Cs一起參與諧振。實際電路中Lm>>Ls，因此，在這個階段可以認為激磁電流和諧振電流都保持不變。

通過上面的詳細分析，對LLC軟開關型變換器的工作原理及其特性有了一定的了解，下面介紹如何設計諧振腔之元件，進一步加深對它們的認識。

二、LLC諧振腔之元件設計

諧振腔之元件包括功率開關管MOSFET，諧振電容器Cr，諧振電感Lr和隔離變壓器T1，一般情況諧振電感Lr是采用隔離變壓器T1的漏感。

說明:

Vin-nor, Vin-min, Vin-max ：輸入電壓額定值、最小值和最大值；

Vin-nor, Vin-min, Vin-max ：輸入電壓額定值、最小值和最大值；

Vo-nor, Vo-min, Vo-max ：輸出電壓額定值、最小值和最大值；

Io ：輸出電流額定值；在普通條件下設計者給定的開關頻率

fo：輸出電流額定值；在普通條件下設計者給定的開關頻率

fmin ：設計者給定的最小開關頻率

Vc-max ：振蕩電容Cs上最大允許電壓

n ：變壓器初級與次級的變比

Cs ：振蕩電容

Ls ：振蕩電感

Lm ：激磁電感

fmax ：最大開關頻率

Ip,RMS ：初級電流有效值

三、L6598L6599芯片資料

1、L6599 芯片介紹

意法半導體(ST)日前推出一個專門為串聯諧振半橋拓撲設計的雙終接控制器芯片L6598，該芯片支持保護全面和高可靠性的電源設計，特別適用于液晶電視和等離子電視的電源、便攜電腦和游戲機的高端適配器、80+ initiative-兼容ATX電源和電信設備開關電源。

L6599在上一代產品L6598的基礎上新增多種功能，如直接連接功率因數校正器(PFC)的專用輸出、兩級過流保護(OCP)、自鎖禁止輸入、輕負載突發模式操作和一個上電/斷電順序或欠壓保護輸入。

新產品工作在50%互補性占空比下，插入一個固定的死區時間，以確保軟開關操作。（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union）支持高頻開關(最高500kHz)，能效高，電磁干擾(EMI)輻射低。為了采用自舉方法驅動上橋臂開關，新產品整合了一個能夠承受600V以上電壓的高壓浮動結構和一個同步驅動式高壓橫向雙擴散金屬氧化物半導體(LDMOS)器件，節省了一個外部快速恢復自舉二極管。

L6599為兩個柵驅動器提供一個輸出電流0.6A和輸入電流1.2A的典型峰值電流處理能力，使設計人員能夠利用一個外部可編程振蕩器設定工作頻率。非線性軟啟動可防止涌流，最大限度抑制輸出電壓過沖。這個器件還有一個可控制的突發模式操作，能夠大幅度降低在輕負載和無負載條件下的平均開關頻率和相關損耗。

利用這個諧振控制器，設計人員甚至可以在功率校正系統內滿足節能要求。在突發模式操作期間，一個專用輸出使IC能夠關斷功率因數校正器(PFC)的預穩壓器，以降低這部分電路的無負載功耗。

L6599的其它重要特性包括低功耗(<30mW)、壓擺率最高50V/ns的無閂鎖操作保證和一個“不自鎖”禁用輸入，高性能過流保護(OCP)功能提供全面的過負載和短路保護。新增的一個自鎖禁用輸入讓過熱保護(OTP)和/或過壓保護(OVP)的實現變得容易。L6599有三個產品型號：L6599N采用PDIP16封裝，L6599D和L6599DTR采用SO16N封裝。

2、芯片與典型方框圖

3、PIN腳功能

4、典型電源系統圖

分PFC、諧振半橋部分。

5、振蕩器

振蕩頻率由定時元件CF選擇值決定。Pin3連接一個精準的2V基準電壓輸出2mA或更大的電流源。以產生更高的頻率。

以上網絡，包函三部分：

A、最小振蕩頻率:一個電阻RFmin連接Pin4與地之間，確定電路最小工作頻率。

B、最大振蕩頻率: 一個電阻RFmax連接Pin4與光耦（C-E極）之間，光耦調整通過的電流，即調整振蕩頻率，達到輸出電壓的調整目的。在光耦完全飽和情況下，RFmax確定最大工作頻率。

C、軟啟動:一個RC串聯電路（Css+Rss），產生頻率移動，達到軟啟動功能。

工作頻率最大值fmax發生在最大輸入電壓最小輸出負載，fmin發生在最小輸入電壓最大輸出負載。RFmin、RFmax的選取，先要確定工作最大最小頻率。

振蕩器波形圖

HB為半橋中間點電壓，在低邊MOSFET關閉時，HB快速上升，并通過自舉電容到Pin16，以提供高邊MOSFET開啟的電壓。

6、工作在輕載或無載時

諧振半橋電路在工作于輕載時或所有負載變輕時，工作頻率會升為最大值。（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union）為使輸出電壓受控，需要持續一定的工作脈沖，盡量減小變壓器磁化電流，以減少待機功耗。

為克服此問題，L6599工作于間歇狀態（觸發模式）。輸出一串很少開關周期后長時間使MOSFET關閉狀態，這樣平均的工作頻率很低，平均功耗就小。

這個觸發模式利用了Pin5（STBY）：通過回饋回來的電壓與內部基準（1.25V）比較，當低于基準電壓時，進行待機模式，要恢復正常模式，需要高于基準50 mV?？梢酝ㄟ^外接電阻、接插口來設定其進行待機模式時的輸出電流值

四、L6599的工作流程

詳細了解L6599的各引腳功能及基本應用后，下面以JSK-4168-081原理圖介紹L6599的工作流程。

1、L6599供電回路

5Vsb開關變壓器T2B繞組電壓經D15整流，Q9、ZD5穩壓后輸出Vcc1（14V左右），供給PFC芯片（FAN7530MX Pin8）工作電壓，并通過Q7、ZD9穩壓后輸出Vcc2（12V左右）供給L6599 Pin12工作電壓。OCP、OVP、ON/OFF信號通過光耦IC5控制Q9的電壓是否輸出進而控制PFC、LLC電路是否工作來實現過壓保護、過流保護、開關機功能。

2、L6599的啟動

軟啟動電路

Pin12加上Vcc電壓后，給Pin1(CSS)外接電容C13充電，此時C13可視為短路，R36與R32并聯，電阻減少，L6599的振蕩頻率升高，電源功率下降，當C13充滿電時，此時C13可視為開路，振蕩頻率由R32決定，振蕩頻率降低，電源輸出正常，由此實現變頻軟啟動功能。（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union）同時，VDC通過R20、R21、R22串聯電阻及R30分壓輸入Pin7(Line)，R30上并聯的電容用來旁路噪聲干擾。Pin7(Line)電壓低于1.25V關閉IC，高于1.25V低于6V時，IC正常工作，通過對VDC的電壓檢測，實現欠壓保護功能。

IC完成軟啟動后，內部振蕩器開始振蕩，在Pin15(HVG)與Pin11(LVG)輸出如圖所示的兩個占空比接近50%的脈沖，驅動MOS管開始工作。

3、L6599穩壓原理

次級電壓通過取樣電阻加在光耦（IC6）內發光管上，并與ICS1的基準電壓進行比較，ICS1的穩壓值由上偏電阻RS9（或RS8）和下偏電阻RS10決定，穩壓值由此公式算得：

當負載由滿載轉向空載時，引起輸出電壓上升，ICS1（TL431）R點的電壓將上升，而R點的電壓是穩定在2.5V的，這將引起AK間流過的電流增大，光耦（IC6）內發光管上通過的電流增大，光耦（IC6）內光敏管上流過的電流也增大，光耦（IC6）內光敏管相當于一個可變電阻，與R34、R33串聯起來接到Pin4(RFMIN)，此時光耦（IC6）內光敏管電阻變小，引起IC振蕩頻率升高，使輸出電壓下降，反之，當負載由空載轉向滿載時，輸出電壓降低，反饋到Pin4(RFMIN)引起IC振蕩頻率降低，調節輸出電壓升高，實現了穩壓的目的。

4、L6599的SCP保護及次級OCP保護

當T1次級短路時，引起輸出電壓降低，這一電壓變化通過光耦IC6反饋到L6599的Pin4(RFMIN)，引起6599振蕩頻率降低，由于此時光耦（IC6）內光敏管的電阻相當于開路，振蕩頻率大大偏離LLC諧振電路的諧振點，C8上的振蕩電壓急劇增大，通過C9、R28、R29，D6、D7全波整流輸入到Pin6(Isen)，當Isen>0.8V時，Pin2(Delay)對C14充電，C14也對R37放電， 同時IC內部對Pin1(VSS)軟啟動電容放電，引起工作頻率上升（功率下降），Pin2(Delay)反饋電壓急速上升到3.5V，內部關閉對電容充電同時芯片關閉振蕩，停止開關工作，延遲保護時間由Pin2(Delay)外接電阻R37（Rdelay）和外接電容C14 （Cdelay）決定。

C14通過R37放電到0.3V時，L6599會重新工作，由于Pin2(Delay) 不斷在3.5V和0.3V變化，IC在保護與正常工作間跳動，輸出也會一閃一閃的，即間隔保護模式（在次級OCP一直沒有啟動的情況下，才會出現這樣的情況，L6599的SCP保護是不鎖定的，只要其Pin2(Delay)放電到0.3V時又會重新工作）。

當次級的過流延時電路在L6599第一次檢測到過流時，過流保護運放（ICS3）輸出對CS27和CS33充電，同時通過RS30和RS31分壓后給CS28充電，由于L6599第一次檢測到過流時，Pin2(Delay)設定的延時時間很短，電容CS27、CS33、CS28上沒有積累足夠的能量，QS4不能導通，過流保護電路沒有啟動。在L6599 Pin2(Delay)從3.5V通過R37放電到0.3V時，L6599重新工作，過流檢測電路再次對CS27、CS33、CS28充電，此時電容上已經積累足夠能量，QS4導通，QS3也導通，將光耦（IC5）內發光管拉到QS3的CE結壓降與QS4上BE結壓降之和（PNP管CE結壓降大約為0.3V，NPN管BE結壓降大約0.7V）（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union），使發光管無電流流過，光耦（IC5）光敏管電阻相當于無窮大，Q9因無基極偏壓而無輸出，關閉L6599的VCC電壓，使主電路關閉，達到自鎖保護目的。

在測試時，有時會看到輸出一閃，然后再保護，因為次級的OCP電路要在L6599的SCP電路第二次動作后才實現保護，所以次級的OCP電路在保護時間上要滯后于L6599的SCP電路（大概相差40mS左右，由其外接的延時電阻電容來決定具體時間），精確的過流點將由次級的OCP電路來決定。

附1：

過流延時保護電路

一、問題的產生

過流保護是電源保護線路中最重要的電路，通常在每個產品中都存在。（學習電源知識請關注微信公眾號：電源聯盟；微信號：Power-union）它在整機發生過流故障時不僅可以及時保護電源板及主機板、功放板等，還可以防止故障進一步擴大化。

但在目前的LCD-TV中。開機時，存在電流沖擊，電流較大，啟動已后，電流恢復正常。所在LCD-TV開機時，較大的沖擊電流會使過流保護電路誤動作，引起LCD-TV自動關機。

V1：12V 2.5A 為供TV主板、功放板；

V2：24V 7.5A 為供TV背光電源板；

V3：5VSB 1A 為供TV 控制MPU電源。

進行加電，試驗各路沖擊電流：

加AC電源：輸入220V 50Hz，典型值如下

V1沖擊電流：10.0A 2mS

V2沖擊電流：8.5A 1mS

V3沖擊電流：1.25A 1mS

問題關鍵在于V1在加AC電源時沖擊最大達10.0A 2mS,比額定電流2.5A大了4倍。

二、現有方案

2．1、直接加大過流值，即OCP值

通過OCP保護電路參數的調整，將V1過流點調到10A以上。

理論上可行，但從電路的可靠性講，長期工作后，一旦發生線路過流，線路不能及時保護，使故障進一步擴大，最終電源板、主板、背光板等均有可能損壞。

因此在《GB/T14714：1993微小型計算機系統設備用開關電源通用技術條件》規定電路OCP值不得超過輸出額定電流的200% 。

2．2、調整產品元件參數，加大電源板的輸出功率

是第一個方法的延伸，目的使供電電源板具有長期的最大穩定輸出功率。

缺點是成本上升幅度大。

三、解決方案

利用延時電路將V1過流采樣的控制時間移至沖擊電流時間（如2mS）以后，避開啟動時沖擊電流引起電路的誤動作，而真正發生過流故障時，當持續時間長過一定時間（如2mS），線路可以判定為線路過流故障，就可以啟動OCP采樣控制電路進行電源OCP保護。這樣利用脈沖時間差進行區別開機沖擊電流與故障過流，達到正確的控制能力。

詳圖如下：

1、電路結構

以R2、R5為中心的電流取樣電路；以IC2為中心的比較放大電路；以Q1、Q2為中心的控制延時電路；以IC3為中心的控制電路。

2、工作原理

當輸出電流增大，在R2、R5上的壓降增加，R2、R5上的增加量分別傳入IC1A、B運放中，與其反相端基準電壓進行比較，產生輸出電流比較電壓。

當輸出電流超過額定值時，IC2將輸出高電平，通過R11對C2充電，充到Q1開啟電壓Vgss時，Q1導通，引起Q2導通，IC2的輸出高電平通過Q2、R16加到Q4基極。

Q3、Q4組成的復合可控硅電路，當Q4基極為高電平時，Q4導通，引起Q3導通，將IC3A的偏值電壓短路到地，IC3A發光二極管截止。

IC3B光敏三極管也將截止，一次電路中的Q5基極因失去偏值電壓而截止，將關斷至PWM控制IC Vcc端的電壓，使PWM IC停止工作，達到電路過流保護的作用。

3、實驗結果

實驗結果如下圖：

附圖1：無延時電路時，當電源輸出端進行短路測試時，電路反應時間為21.2mS；

附圖2：帶延時電路，當電路發生過流時，C2兩端的電壓逐漸上升（CH1波形），當上升到使Q1導通時，電路進行保護動作，電路反應時間為230mS。

可見，電路保護的延時時間由Ugss和R11、C2、以及IC2輸出的高電平來確定。

公式推導：

4、技術要點

通過調整R11、C2等的參數，合理的延遲OCP控制時間，避開沖擊電流，達到電流過流保護功能。

總結，本方案擁有低成本、高可靠性等優點。是LCD-TV電源模塊中解決沖擊電流的首選方案，具有非常高的經濟效益與可靠性價值。

5、備注

1、 OCP值：線路過流保護時的電流值，又稱過流點值。

2、一次電路：與電網直接相連的電路，稱一次電路。

附2：

下面附幾張實際電路圖

L6599AD-應用電路實例

200W電源-L6563--L6599

6599原理圖